CN103414987A

CN103414987A - Pvdf/压电陶瓷收发换能器

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Publication number: CN103414987A
Application number: CN201310316705XA
Authority: CN
Inventors: 秦雷; 王丽坤; 周晶晶; 刘静静; 仲超; 张彬
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: CN103414987B

Abstract

本发明涉及一种采用PVDF薄膜以及压电陶瓷晶片堆作为敏感元件的换能器，包括发射换能器和收发换能器。该发射换能器包括PVDF薄膜、连接PVDF薄膜的发射端和连接发射端的压电陶瓷晶片堆。该收发换能器包括PVDF薄膜、连接PVDF薄膜的发射端、连接发射端的压电陶瓷晶片堆以及连接PVDF薄膜的前置放大电路。本发明的换能器中，PVDF薄膜振动采用径向振动模态，压电晶堆振动采用厚度振动模态，通过模态耦合可实现宽带发射声波，并由于PVDF薄膜具有较低的声阻抗，可以提高换能器能量转换效率。本发明的换能器具有发射频带宽、接收灵敏度高等特点，可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，成为声纳系统的重要部件。

Description

PVDF/压电陶瓷收发换能器

技术领域

本发明属水声探测技术领域，具体涉及一种利用PVDF压电薄膜及压电陶瓷共同作为敏感元件，应用其压电效应发射和接收水声信号而实现水中探测的换能器，可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳系统的重要部件。

背景技术

水声换能器是将声能和电能进行相互转换的器件，其地位类似于无线电设备中的天线，是在水下发射和接收声波的关键器件。水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发，都离不开水声换能器。换能器可分为发射型、接收型和收发两用型。将电信号转换成水声信号，并向水中辐射声波的换能器，称为发射换能器，发射换能器要求有比较大的输出声功率和比较高的电声转换效率。用来接收水中声波信号，将其转换成电信号的换能器为接收换能器，也常称为水听器，对接收换能器则要求宽频带和高灵敏度。既可以将声信号转换成电信号，又可以将电信号转换成声信号，用于接收或发射声信号的换能器称为收发换能器。

聚偏二氟乙烯（PVDF）是目前应用最广泛、最成功的铁电和压电高分子材料，它具有密度低、柔顺性好、制备简单、易成形、声阻抗低、易于与水形成良好的阻抗匹配、可制备成各种复杂形状和大面积均匀薄膜等优点。尽管铁电高分子材料压电应变常数很小，但由于其介电常数也很低，其压电电压常数和材料优值仍比PZT陶瓷高出一个数量级，尤其适合制备拖曳式大尺寸水听器阵列。然而由于PVDF的d33系数普遍较低，而且熔点低造成的温度稳定性不佳，同时由于其介电常数较小，且厚膜技术并不成熟，无法加载高压，极易击穿，所以一般仅用其制作水听器。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种采用PVDF薄膜以及压电晶堆作为敏感元件的换能器，能够提高换能器的能量转换效率，具有发射频带宽、接收灵敏度高的特点。

本发明采用的技术方案包括发射换能器和收发两用换能器，每种换能器又包括采用一个PVDF薄膜的单向换能器和采用两个PVDF薄膜的双向换能器。其中单向换能器必须采用发射端，双向换能器既可以采用发射端，也可以不采用发射端。下面分别进行说明：

一种PVDF/压电陶瓷换能器，为发射换能器，其包括：

PVDF薄膜；

发射端，连接所述PVDF薄膜；

压电陶瓷晶片堆，连接所述发射端，包括正向极化压电陶瓷片、金属垫片和反向极化压电陶瓷片；通过所述金属垫片引出电极，所有正极互相连通作为发射正极，所有负极互相连通作为发射负极。

进一步地，在上述发射换能器基础上增加前置放大电路，并电性连接所述PVDF薄膜的正极和负极，对由所述PVDF薄膜产生的微量电荷信号进行放大并输出电压信号，即可构成收发两用换能器。

进一步地，在上述换能器基础上采用两个PVDF薄膜，分别位于压电陶瓷晶片堆的两端，相应的发射端也为两个，即可构成双向换能器。

进一步地，当构成双向换能器时，也可以去掉发射端。

进一步地，在上述换能器基础上增加一外壳；所述PVDF薄膜、发射端（如果有发射端时）、压电陶瓷晶片堆和前置放大电路固定在该外壳内，该外壳上靠近所述PVDF薄膜的部分开口；所述发射正极和发射负极的引线，前置放大电路输出的电压信号的正负极引线，以及与前置放大电路连接的电源引线均从该外壳引出。

进一步地，所述发射端采用轻质材料，并采用变幅杆式结构。

本发明的换能器采用PVDF薄膜以及压电晶堆作为敏感元件，PVDF薄膜振动采用简支边界条件下薄膜的径向振动模态、压电晶堆振动采用厚度振动模态，通过模态耦合可获得较高的带宽，实现宽带发射声波。此外由于PVDF薄膜具有较低的声阻抗，换能器可以与水、人体组织等介质更好的匹配，提高换能器能量转换效率。因此本发明的换能器具有发射频带宽、接收灵敏度高等特点。另外，还可以采用直径很小的压电晶片堆带动很大面积的PVDF薄膜振动，这样可以增大发射面积，提高换能器的发射能力，同时又保证了换能器具有较低的重量。本发明可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳系统的重要部件。

附图说明

图1是本发明实施例的PVDF/压电陶瓷收发换能器结构示意图。

图2是本发明实施例的双向PVDF/压电陶瓷收发换能器结构示意图。

图中标号说明：1-PVDF薄膜，2-外壳盖，3-外壳，4-轻质发射端，5-正向极化压电陶瓷片，6-金属垫片，7-反向极化压电陶瓷片，8-前置放大电路，9-发射正极引线，10-发射负极引线，11-接收电源引线，12-接收信号正极引线，13接收信号负极引线。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做详细的说明。

实施例1：

图1给出了本实施例的具有高频、宽带、大功率发射特点的收发换能器结构示意图。该收发换能器包括聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜1、外壳盖2、外壳3（也可将外壳盖2和外壳3构成的整体称为“外壳”）、轻质发射端4、正向极化压电陶瓷片5、金属垫片6、反向极化压电陶瓷片7和前置放大电路8，引线9、10、11、12、13分别为发射正极引线、发射负极引线、接收电源引线、接收信号正极引线以及接收信号负极引线。其中正向极化压电陶瓷片5、金属垫片6和反向极化压电陶瓷片7共同构成压电陶瓷晶片堆，通过金属垫片引出电极，所有正极互相连通，负极互相连通。

当换能器用作发射信号时，在正负极间（引线9、10间）施加交变电压，由于逆压电效应压电陶瓷晶片堆会在厚度方向产生机械振动，而外壳3通常采用密度较高的金属制成，且通常固定于载体上，故可认为外壳3为刚体，振动只通过轻质发射端4传播。其中，压电陶瓷片5可以采用圆形、多边形等形状，其厚度根据换能器的工作频率确定。轻质发射端4通过采用变幅杆式结构设计（如图1所示，其在压电陶瓷一端粗，靠近PVDF一端细），以减轻发射端质量，从而提高发射端振动速度。轻质发射端4采用轻质材料，可以采用铝、钛合金等密度低的金属，或环氧树脂、泡沫等硬质非金属。振动通过轻质发射端4传递给聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜1，由于PVDF薄膜通过外壳盖2与外壳3绷紧，所以PVDF薄膜1会产生类似鼓膜的振动，不但能将发射端的辐射面扩大，还能降低发射端的声阻抗，使之与水等介质间更易匹配。同时，合理设计PVDF薄膜1的直径大小使其谐振频率与压电陶瓷晶片堆谐振频率相近时，还会产生振动耦合现象，从而拓宽换能器发射信号的带宽。

当换能器用作接收声信号时，PVDF薄膜1的正负极通过引线与前置放大电路8连接。PVDF薄膜1感受到外界声振动产生形变时，由于压电效应会在正负电极间产生微量电荷，电荷通过引线接入前置放大电路8，当前置放大电路8的电源引线11接+12V电压（通常都使用+12V供电，也可以采用+5V供电）时，电路可正常工作，PVDF薄膜1产生的微量电荷信号经放大后输出电压信号，同时经引线12、13引出。由于PVDF薄膜1经过适度拉伸可提高接收灵敏度，所以，在用作接收时，可将发射端正负极间（即引线9、10间）接直流高压，使得压电陶瓷晶片堆产生厚度方向位移，从而拉伸PVDF薄膜1，提高换能器接收灵敏度。

实施例2：

本实施例为一种发射换能器。将实施例1的前置放大电路部分去掉，即可使该换能器仅具有发射功能。其它结构与实施例1相同。

实施例3：

本实施例提供一种双向换能器。在实施例1或2的方案基础上，采用两个PVDF薄膜，分别位于压电陶瓷晶片堆的两端，即可构成双向换能器。需要说明的是，当构成双向换能器时，根据换能器所需使用的频率范围，发射部件的材料以及外型尺寸，需要时也可以不采用发射端部件。

图2给出了不含发射端的双向PVDF/压电陶瓷收发换能器结构示意图。该收发换能器包括PVDF薄膜1、两个外壳盖2、外壳3（也可将外壳盖2和外壳3构成的整体称为“外壳”）、正向极化压电陶瓷5、反向极化压电陶瓷7、金属垫片6构成。PVDF薄膜1以及由正向极化压电陶瓷5与反向极化压电陶瓷7以及金属垫片6构成的压电晶片堆构成一个激励元。压电晶片堆在厚度方向上振动模态，对应的谐振频率为f1。上表面的PVDF薄膜1径向振动模态对应的谐振频率为f2。下表面的PVDF薄膜1径向振动模态对应的谐振频率为f3。通过合理设计换能器的结构参数，可以使得这三组谐振频率相互接近，当-3dB带宽连在一起时，可以大幅拓宽换能器整体带宽（PVDF薄膜径向振动模态对应的谐振频率的计算公式,以及叠堆结构谐振频率的计算公式在公开发表的论文中均可查到，本发明不再具体描述）。当换能器用来接收声信号时，上、下表面的PVDF薄膜1共同作用，不但可以探测声波强度，还能分辨声源方向。

在本发明的另一实施例中，可以采用直径很小的压电晶片堆带动很大面积的PVDF薄膜振动，这样可以增大发射面积，提高换能器的发射能力，同时又保证了换能器具有较低的重量。

以上通过实施例描述的本发明的PVDF/压电陶瓷收发换能器及其实现方法，并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和实质范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求书所界定。

Claims

1.一种PVDF/压电陶瓷换能器，其特征在于，包括：

PVDF薄膜；

发射端，连接所述PVDF薄膜；

2.如权利要求1所述的换能器，其特征在于：还包括前置放大电路，电性连接所述PVDF薄膜的正极和负极，对由所述PVDF薄膜产生的微量电荷信号进行放大并输出电压信号。

3.如权利要求1所述的换能器，其特征在于：在接收信号时，所述发射正极和发射负极之间接直流高压，使压电陶瓷晶片堆产生厚度方向位移以拉伸PVDF薄膜，提高PVDF薄膜接收声信号的灵敏度。

4.如权利要求1或2所述的换能器，其特征在于：所述PVDF薄膜为两个，分别位于压电陶瓷晶片堆的两端，相应的发射端也为两个，构成双向换能器。

5.如权利要求4所述的换能器，其特征在于：还包括一外壳；所述PVDF薄膜、发射端、压电陶瓷晶片堆和前置放大电路固定在该外壳内，该外壳上靠近所述PVDF薄膜的部分开口；所述发射正极和发射负极的引线，前置放大电路输出的电压信号的正负极引线，以及与前置放大电路连接的电源引线均从该外壳引出。

6.如权利要求1所述的换能器，其特征在于：所述发射端采用轻质材料，并采用变幅杆式结构。

7.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述发射端的材料为下列中的一种：铝合金、钛合金、环氧树脂、泡沫。

8.一种PVDF/压电陶瓷双向换能器，其特征在于，包括：

压电陶瓷晶片堆，包括正向极化压电陶瓷片、金属垫片和反向极化压电陶瓷片；通过所述金属垫片引出电极，所有正极互相连通作为发射正极，所有负极互相连通作为发射负极；

两个PVDF薄膜，分别安装于所述压电陶瓷晶片堆的两端。

9.如权利要求8所述的换能器，其特征在于：还包括前置放大电路，电性连接所述PVDF薄膜的正极和负极，对由所述PVDF薄膜产生的微量电荷信号进行放大并输出电压信号。

10.如权利要求9所述的换能器，其特征在于：还包括一外壳；所述PVDF薄膜、压电陶瓷晶片堆和前置放大电路固定在该外壳内，该外壳上靠近所述PVDF薄膜的部分开口；所述发射正极和发射负极的引线，前置放大电路输出的电压信号的正负极引线，以及与前置放大电路连接的电源引线均从该外壳引出。